排粉风机内部气固两相流动特性研究.docxVIP

排粉风机内部气固两相流动特性研究李建锋 1 , 吕俊复 2 , 张 海 2 , 刘青 2 , 岳光溪 2( 1. 中国电力企业联合会科技服务中心 , 北京100038; 2. 清华大学 , 北京100084 )摘 要 : 采用通用计算流体力学软件 f luen t对某 9 - 26型风机内部气固两相流进行了三维数值模拟 ,模拟结果显示了风机出口固相浓度的不均匀性 ,与实验测量结果一致 。数值模拟表明 ,风机本身的离心力以及蜗壳内气流的夹带作用 ,导致固体颗粒向风机蜗壳的外侧面 、后侧面聚集 ,该现象可以用于改善风机出口的颗粒分离 。关键词 : 气固两相流 ; 离心风机 ; 数值模拟 ; 计算流体力学中图分类号 : th432文献标识码 : are sea rch on c ha ra c ter ist ic of pa r t ic le2ga s two2pha se f low in s ide the c oa l2powder exha u sterl i j ian2feng1 , lv j un2fu2 , zhan g h a i2 , l iu q ing2 , yu e guang2xi2( 1. sc ien tific and techn ica l se rvice cen te r, ch ina e lec tric ity counc il, b e ijing 100038 , ch ina;2. tsinghua u n ive rsity, b e ijing 100084 , ch ina)a b stra c t: the p a rtic le2ga s two2p ha se flow in the h igh2p re ssu re cen trifuga l b lowe r of 9 226 typ e wa s sim u la ted th ree d im en siona lly w ith comp u ta tiona l flu id dynam ic s f luen t. the re su lt of the sim u la tion showed the inhomogene ity of p a rtic le concen tra tion a t ou tle t of the exhau ste r, wh ich agree s we ll w ith the m ea su rem en t re su lts. pa rtic le s en richm en t nea r the ou tside and rea r side of the vo lu te ca sing is cau sed by the cen trifuga l fo rce and the flow en tra inm en t acco rd ing to the sim u la tion p red ic tion. th is p henom ena cou ld be u sed to imp rove the p a rtic le s sep a ra tion a t the ou tle t of fan.key word s: p a rtic le2ga s two2p ha se flow; cen trifuga l b lowe r; num e rica l sim u la tion; cfd1 前言粉仓 ,细粉分离器的排气 (乏气 ) 以三次风的形式送入炉内燃烧 ,因三次风中含有 10 % 20 %左右 超细煤粉 ,将这些超细煤粉分离浓缩后作为再燃 燃料送入炉内还原 no x,可实施燃料再燃 3 。但 由于这部分气体已经过细粉分离器的分离 ,所以 ,一般的分离器已经很难对其再进行分离 。 另一方面 , 在需要进行气固两相流分离的地方 ,人们考虑可以采用风机叶轮旋转过程中所产 生的强大 离 心 力 来 进 行 气 固 两 相 分 离 /除 尘 , 例 如 ,郭宏伟 、潘海波等通过实验和数值模拟研究了 风机的除尘效能 4、5 。因此 ,经过排粉风机叶轮高速旋转所产生的 强大离心力来对三次风进行浓淡分离 ,以便把高 浓度部分送入锅炉作为再燃燃料成为一个可以选 择的方案 。但这需要对排粉风机的出口含粉气流在目前的 no x排放抑制技术中 ,燃料再燃技术是一项很有发展前景的方法 。在再燃燃料的使 用上 ,天然气因其本身不含氮 、灰和硫 1 ,因此不会加重 no x 的排放 ,也不会产生腐蚀性化合物 , 且能比其它燃料产生更多的烃根 ,故被认为是最 理想的再燃燃料 。但鉴于煤是电力生产的主要一次能源 ,其中 又以煤粉锅炉占绝对优势 ,显然 ,如果以煤粉作为 再燃燃料 ,就可为实际煤粉锅炉应用再燃技术提供极为有利的条件 ,因此超细煤粉燃烧是近年来 新兴的一种煤粉燃烧方式 2 。我国 200mw 及以下容量锅炉一般采用中间 贮仓式制粉系统 ,煤粉经细粉分离器分离后进入收稿日期 : 2007 04 29基金项目 : 国家重点基础研究发展规划项目 ( 20026309 )2008年第 36 卷第 02 期流体机械23的浓度分布有所了解 。此外 ,由于风机在现代工业中用途越来越广泛 ,其中相当一部分风机在运 行过程中不可避免地要输送气固两相流体 ,这部 分风机数量占整个风机数量的 25 %以上 6 ,例如 在能源 、化工以及环保等领域 。因为有了固体颗粒 ,所以风机就要面临着磨损与积灰的问题 :磨损 会使得风机寿命减少 ,增加运行维护成本甚至引 发事故 ;而积灰则会使得风机气动效能变差 ,降低 风机效率 ,增大能耗 ,当灰尘中含有酸性或碱性物 质时 ,风机叶轮本身所受的腐蚀就必须要有所考 虑 。一般而言 ,风机内部的气固两相流动特性对于风机本身的磨损与积灰有着很大关系 7 , 8 。对 风机内部两相流特性的深入了解对于风机的防磨 与防积灰是有很大帮助的 。本文利用通用数值模拟软件 f luen t对某 9 226型风机内部气固两相流动进行了数值模拟 ,研究 了风机出口与内部的固相颗粒浓度分布 ,并与实验结果作了对比 。出口边界条件均选定为压力边界条件 ,其中风机出口气流速度调整均匀 ,约为 50m / s。固壁边界 满足无滑移条件 ,近壁处应用壁面函数 。对于固 相颗粒 ,壁面采用无损失碰撞条件 。计算结果与 实验结果作了对比 。实验结果是通过把风机出口均匀分成 5 个部 分 ,然后利用高效布袋分离器对出口气流进行分 离 ,通过测量气体流量与布袋增重来确定风机出 口固相的浓度分布 。实验过程中风机出口气流速 度分布也调整为 50m / s左右 。实验用的玻璃珠 密度为 1800 2500 kg /m3 ,粒径分布如图 1 所示 。计算用颗粒密度为 2400 kg /m3 , 粒径采用单一的16m。2 数学模型与网格划分在模拟风机的数值计算过程中 ,对于风机内部的气相模拟 ,标准 k - 双方程湍流模型是一种 常用的数学模型 911 。也有文献 模 拟风 机流 场 时采用的数学模型是从标准 k - 模型发展而来 的 rea lizab le k - 模型 12 , 13 。本文数学模型采用的是标准 k - 模型 。对于固相颗粒的数值模拟 ,本文采用的是分 散相模型 (d isc re te pha se mode l) , 考 虑了 重力 以 及固相与气相间的相互作用 。本文网格采用 f luen t内附的 gam b it软件来划分 ,对于 9 - 26 型风机 ,其叶片为 16 片前向弯 曲叶片 ,考虑到流道形状的复杂性 ,网格划分采用 的适应性较强的非结构化四面体网格 。同时由于 风机各部分尺寸的不同 ,将风机分成了以下几个 部分 ,分别是入口区 、叶轮区 、叶轮前后轮盘与前后机壳之间的缝隙区以及蜗壳区 ,在不同的区域 , 根据区域的大小采用不同大小的网格 ,全风机一 共划分为 50多万个网格 。图 1 实验用空心玻璃微珠粒径分布图 2 给出了风机出口平均固相浓度的计算值 与测量值的对比 。图 2 风机出口平均固相浓度分布对比从图 2中可以看出 ,在很大范围内 ,计算值与 测量值的分布趋势大致相同 ,因此可以认为计算 结果能够大致反映出风机内部气固两相流动的特 性 。在图 2中 ,实验值的左端有一高浓度区 ,可能 是由于风机蜗舌对颗粒积聚作用 ,使得靠近风机 出口内侧壁的固相浓度增高 。3 计算结果及分析本文采用压力速度耦合的simp le 算法 ,叶轮区因为有旋转运动 ,所以采用的是动坐标系 。进 1994-2014 china academic journal electronic publishing house. all rights reserved. 24flu id mach in er yvo l136 , no102 , 2008图 3给出了风机出口截面固相浓度分布 。从图中可以看到 ,风机出口的固相浓度分布并不均 匀 ,而是在贴近风机出口的外侧后侧的角落处有 一最大值 ;另一方面 ,在风机出口的后侧附近区域 浓度明显偏高 ,而在风机出口的前侧面附近 ,浓度却非常低 。造成这样的结果是因为风机蜗壳内部 气流旋转 ,使得固体颗粒被旋转的气流带向风机 出口后侧面 。因此 ,从风机出口的固相颗粒浓度 分布来看 ,同时考虑将风机出口沿轴向与径向两 个方向分开可以使气固分离效果更好 。部分时所留下的痕迹 。图 5 风机叶轮中截面上固相浓度分布颗粒相由于惯性较大 ,因此在进入风机以后 大部分打在风机叶轮的后端盖上面 ,然后沿着叶 轮后端盖前表面滑行 ,因此 ,反映在子午面上就是 下面贴近叶轮后端盖的区域内有一高浓度区 ,如 图 6所示 。图 3 风机出口固相浓度分布图 4给出了风机后端盖与外壳之间缝隙的中 截面上的浓度分布 。图 6 叶轮子午面固相浓度分布图 7 给出了叶轮后端盖前表面上 (叶片根部 表面 )的固相浓度分布 , 图 7 ( b ) 是局部 放大 图 。 可以看出 ,在叶片的后半部分 ,叶面上固相浓度较 大 ,就整个叶片来说 ,在叶面的前端气流入口以及 尾端气流流出处 ,所受的磨损主要是由于固相颗 粒滑动摩擦所引起的 ; 而在叶面中间则主要是受 到颗粒撞击 的 影 响 6 。因 此 在 风 机 叶 轮 的 这 些 部位其防磨措施可 以采 用 的方 法有 喷 涂防 磨涂 层 、贴陶瓷片或焊接防磨衬板等 7 。图 8 给出了风机蜗壳内的浓度云图 ,从图中 可以看到在蜗壳后侧面外侧面附近区域内的固相 颗粒浓度比前侧面附近区域要高 ,这是因为在蜗 壳内气流的旋转流动夹带固相颗粒向风机蜗壳后 侧面运行所造成的 。图 4 叶轮后端盖与外壳之间中截面固相浓度分布从图中可以看出 ,固相颗粒的浓度分布于气 流的流向大致相符 14 ,明显的看出了气流的夹带 作用 。气流中的颗粒在离心力的作用下 ,出现了 向蜗壳周边浓聚的趋势 ,如图 4、5 所示 。从图 5中可以看出在风机叶片外缘区域的颗 粒浓度分布 。风机出口的竖向条纹是建立风机模 型时为了给实验相对应 ,把风机出口划分为 5 个 1994-2014 china academic journal electronic publishing house. all rights reserved. 2008年第 36 卷第 02 期流体机械25另外 ,上部蜗壳内的固相颗粒的浓度梯度比下部要低 ,也是因为上部气流夹带才开始起作用 的缘故 。图 9 11给出了计算条件下的气相流场特性 分布 。( a)整体( a) 静压( b)局部图 7叶轮后端盖前表面上的固相浓度分布( b) 总压图 9 风机叶轮中截面压力分布( a) 上部( b) 下部图 8 风机蜗壳内的浓度云图图 10 叶轮中截面上气流速度分布 1994-2014 china academic journal electronic publishing house. all rights reserved. 26flu id mach in er yvo l136 , no102 , 2008( a)( a) 叶轮通道内相对速度分布( b)绝对速度分布图 11 风机叶轮通道内部气流速度分布计算过程中 ,风机出口的气流速度均为 50m / s,与实验时的气流出口速度相当 。因为将风机出 口气流速度调整均匀 ,所以风机内部的气相流场 与无负荷时流场有所不同 。由于风机出口有静压 力存在 ,所以风机内气流流出时受到了较大阻力 , 因此风机内部各叶片通道之间的气流场均匀程度 增加 。图 10是叶轮通道内气流场速度分布 ,从图 中可见 ,尽管出口阻力增加 , 但仍与文献 19 中 的结果类似 。图 12 给出了风机叶轮通道内部以及附近区 域内的固相颗粒的相对运动轨迹 ,从图 12 ( a ) 可以看出 ,固相颗粒由于本身的惯性 ,在流进风机叶轮通道中方向大致不变 ,由于本文所模拟风机为 前向弯曲叶片 ,所以几乎所有颗粒都要与叶片相 撞 ,然后有小幅反弹 ,在靠近叶轮出口的地方发生 二次碰撞 。而对于后向弯曲的风机叶片 ,会有一 部分颗粒不会与叶片发生碰撞 15 。因此 ,不同叶 型的风机其防磨措施也应有所不同 。从图 12 ( b) 可以看出风机蜗舌附近的叶轮通道内流出粒子的 轨迹线 ,当固相颗粒自叶轮通道流出以后 ,并不是 直接沿风机蜗壳运动 ,而是翻向后流入风机叶轮 后端盖与风机蜗壳之间的缝隙区 ,在缝隙区内沿 着图 3所示的高浓度区分布流出风机 。图 12 中 左侧数字代表固相颗粒在风机内部的停留时间 。( b) 风机上部图 12 风机内部固相颗粒的相对运动轨迹4 结论( 1 )由于风机本身的离心以及蜗壳内气流的夹带作用 ,使得固体颗粒向风机蜗壳的外侧面 、后 侧面聚集 ,因此 ,从风机出口的固相颗粒浓度分布来看 ,同时考虑将风机出口沿轴向与径向两个方 向分开可以使气固分离效果更好 。从而为人们利 用风机进行气固两相分离提供了有益的参考 。( 2 )模拟结果可以较为准确地给出风机内部 固相颗粒的浓度分布 ,而风机本身的磨损与固相颗粒的浓度及其流动状态有很大关系 ,因此可以 使人们能采取更好的方式来防止风机磨损 。参考文献 1 smoo t l d , h ill s c, xu h. no x con tro l th rough re2 bu rn ing a . p rogre ss in ene rgy and com bu stion on sc ience c . 1998. 3852408.chen w y. m a long. effec t of he te rogeneou s m echa2n ism du ring rebu rn ing of n itrogen oxide j . a ich e jou rna l, 1996 , 42 ( 7 ) : 1968 21925.(下转第 60页 ) 2 1994-2014 china academic journal electronic publishing house. all rights reserved. 60flu id mach in er yvo l136 , no102 , 200888291.吴荣华 , 孙德兴 . 城市原生污水冷热源系统形式 及其应用 j . 哈 尔 滨 工 业 大 学 学 报 , 2006 , 38( 8 ) : 58261.张承虎 , 吴荣华 . 关于城市污水热能资源化相关 概念和分类探讨 j . 暖通空调 , 2006, 36 ( 3 ) : 87292.吴荣华 , 孙德兴 . 城市原生污水冷热源水参数特 性与应用 方 法 评 价 j . 可 再 生 能 源 , 2005 , 21 ( 4 ) : 39243.吴荣华 . 城市原生污水源热泵系统研究与工程应 用 d . 哈尔滨 :哈尔滨工业大学 , 2005.张承虎 , 吴荣华 . 污水源热泵系统污水干渠横向 取水研究 j . 哈 尔 滨 商 业 大 学 学 报 , 2005 , 21 ( 4 ) : 76280.孙德兴 , 吴荣华 . 城市污水冷热源应用空气载热法 p . 中国专利 , 200510009670. 0. 2005206 207.自清方法与装置 p . 中国专利 , zl 200410043654.9 2005201 226.吴荣华 , 孙德兴 . 哈尔滨望江宾馆利用城市污水中 的能源 j . 中国给水排水 , 2003 , 19 ( 12 ) : 92293. 吴荣华 , 孙德兴 . 城市原生污水冷热源系统浸泡式 工艺应用实例 j . 暖通空调 , 2004, 34 ( 11 ) : 86 288.马广兴 , 吴荣华 . 城市原生污水热能采集工艺设计 应用实例 j . 暖通空调 , 2006 , 36 ( 2 ) : 77 278. 吴荣华 , 孙德兴 . 城市原生污水冷热源污水流动阻塞与换热特性 j . 暖 通 空 调 , 2005, 35 ( 2 ) : 54 256.吴荣华 , 孙德兴 . 城市污水类非牛顿幂律湍流流动 特性 研 究 j . 水 动 力 学 研 究 与 进 展 . 2005, 25 ( 11 ) : 56 258.张承虎 , 吴荣华 . 混合长度理论应用于城市污水流动特性研究 j . 哈尔滨商业大学学报 , 2005,21 ( 1 ) : 95297.吴荣华 , 孙德兴 . 城市原生污水冷热源换热管软 垢特性研究 j . 流体机械 , 2005 , 33 ( 12 ) : 58 261. 吴荣华 , 孙德兴 . 城市原生污水源热泵系统运行 工况与参数特 性 j . 流 体 机 械 , 2005, 33 ( 11 ) : 13 5 6 14 7 15 8 16 9 17 10 18 11 作者 简 介 : 张 承 虎 ( 1980 2) , 男 , 博 士 研 究 生 , 通 讯 地 址 :150090 黑龙江哈尔滨市哈尔滨工业大学二区市政环境工程学院 12 #2654 。(上接第 26 页 )计算 j . 煤矿机械 , 2005, ( 4 ) : 23224.伍晓芳 , 区颖达 . 空调用多翼离心风机叶轮的性 能预估 j . 华 中 科 技 大 学 学 报 (自 然 科 学 版 ) ,2003 , 31 ( 10) : 69 271.从静华 , 常思勤 . 便携式风力灭火机风机内部气 流分析 j . 南 京 林 业 大 学 学 报 (自 然 科 学 版 ) ,2003 , 27 ( 6 ) : 55258.tsan2h sing sh ih, w illiam w. l iou, a am ir shabb ir,e t a l. a n ew k2eddy v isco sity mode l fo r h igh r eyno ld s n um be r tu rbu len t f low s j . comp u te rs f lu id s, 1995 , 24 ( 3 ) : 227